射频-直流转换器、能量收集电路及能量收集器的制造方法
射频-直流转换器、能量收集电路及能量收集器的制造方法
【专利说明】
【技术领域】
[0001]本发明涉及射频(RF)到直流电(DC)的转换电路，特别涉及高灵敏度的能量收集电路。
【【背景技术】】
[0002]半导体技术的进步已经允许日益复杂的系统集成入更小的封装内。小型装置可含有某些电路以连接到互联网上，并执行一些有用的功能，例如感测温度、心率或加速度，或者控制相机、冰箱、门锁、或汽车子系统。大量的这种连接装置将会存在于物联网(1T)上。
[0003]相较于有线连接，无线连接往往是首选，以减少安装成本。大多数的这些连接装置会是电池供电的，但有些会从外部电磁辐射(EM)获得能量，例如无线电波。能量收集电路可以从外部EM源提取能量，以给电路供电或给电池充电。
[0004]近场通信(NFC)电路的接收器往往和发射器非常靠近，例如在几厘米之内或几乎相互接触。但是，大多数连接装置并不会放置得如此接近接收器。NFC比远场具有更高的能量传递。因此NFC能量收集不适合用于多数连接装置，因为对于近场效果它们放置得离发射器太远了。
[0005]图1显示一个远场能量收集应用。转发器或基站142发送射频(RF)波给连接装置140。互联网协议(IP)组包可被编码并通过RF波传送。连接装置140可传输返回数据包到基站142，返回数据包包括确认和传感器数据。
[0006]连接装置140可以有小电池或电容器，其可以从基站142接收能量进行再充电。RF波能量被每个连接装置140内的能量收集电路或RF-DC转换电路转换成直流电(DC)。当从基站142接收到RF能量时，连接装置140可以唤醒并执行各种程序功能。
[0007]基站142到连接装置之间的距离140是不同的，但通常都远远超过近场边界，而远场能量转换又比近场低效太多和损耗太多。能量转换的理论值依赖于RF频率、发射功率、基站142和连接装置140之间的距离。例如，如果连接装置140和基站142距离10米，连接装置140上有一个50欧姆的天线，那么基站142的900兆赫RF发射会导致只接收到28 μ W(微瓦)的74毫伏的信号。
[0008]迪克森电荷泵(Dickson charge pumps)和其他整流器已被用来作为能源收集电路。但是，输入灵敏度和功率转换效率还不足以用于许多应用。晶体管阈值电压会消耗太多的来自微小天线的小的可用的输入信号。二极管或二极管连接式晶体管具有过大的电压降，因而消耗过多的小输入信号。
[0009]图2是从外部RF传输获取电力的连接装置的方框图。连接装置140有基带处理器102，其执行在EEPROM 104中的程序或例程，通过接口模数转换器(ADC) 106读取传感器116。基带处理器102将传感器数据嵌入IP包，该IP包通过天线122由发射器112发射到外部基站。从天线122接收的来自基站的数据包则由接收器108接收并由基带处理器102处理。
[0010]RF-DC转换器110从天线122接收信号，并产生直流电压，对电容器114充电。电容器114作为电池对装置120和传感器116的所有部件进行供电。对于射频波来说，由于天线122的接收功率非常小，所以RF-DC转换器110必须具有高效率和高敏感度。期望有低纹波的输出，这样才能使用较小的电容器114。
[0011]期望有一种能用于低功耗应用的RF-DC转换器，用于连接装置。期望有一种高效率的高敏感度的RF-DC转换器。期望有一种使用标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的、可以转换由RF波产生的小电压的非近场的能量收集电路。
【【附图说明】】
[0012]图1显示远场能量收集应用。
[0013]图2是从外部RF传输获得电力的连接装置的方框图。
[0014]图3是使用双排L-开关网络及四个电容器阵列的RF-DC转换器的示意图。
[0015]图4是前几级L-开关更详细的示意图。
[0016]图5A-B显示L-开关在预充电和泵送电荷阶段的运行。
[0017]图6是图3-5电路的控制信号的时序图。
[0018]图7显示NMOS实现的L-开关。
[0019]图8显示CMOS实现的L-开关。
[0020]图9A-B显示对L-开关η沟道晶体管的激活衬底控制。
[0021 ] 图10是缓冲和开关控制的示意图。
[0022]图11是也产生激活衬底控制信号的缓冲和开关控制的示意图。
【【具体实施方式】】
[0023]本发明涉及改进的RF-DC转换器。以下描述使本领域技术人员能够依照特定应用及其要求制作和使用在此提供的本发明。所属领域的技术人员将明了对优选实施例的各种修改，且本文所界定的一般原理可应用于其它实施例。因此，本发明不希望限于所展示和描述的特定实施例，而是应被赋予与本文所揭示的原理和新颖特征一致的最广范围。
[0024]图3是使用双排L-开关网络以及四个电容器阵列的RF-DC转换器的示意图。从天线接收射频信号RF+、RF-，并转换为直流输出DC+，然后可对电容器或电池充电，以收集RF能量。电容器或电池可连接在DC+和地之间。
[0025]缓冲和开关控制71接收RF+、RF-，并缓冲这些信号以产生缓冲RF信号BRF+、BRF-o这些信号与RF信号摆幅调制，并对四个电容器阵列的电容器极板泵入电荷(pump)。BRF+对第二电容器阵列的电容器20、22、24和第三电容器矩阵的电容器30、32的极板泵入电荷。BRF-对第一电容器阵列的电容器10、12和第四电容器阵列的电容器40、42、44的极板泵入电荷。
[0026]L-开关50、52、54、60、62、64各自充当阀门，以分离并将注入电荷从一个电容器转移到另一个电容器。一系列这样的L-开关会增加被注入电荷的电压。因此，通过L-开关52的电压输出比通过L-开关50的电压输出要高。这一系列中的最后的L-开关将DC+输出驱动到最高泵升电。因此，一个小的RF+、RF-输入电压就被泵入电荷增加到以产生一个直流输出电压。
[0027]每个L-开关50、52、54、60、62、64有两个MOS晶体管以倒L型布置。这两个晶体管的栅极都由控制信号A、B控制，控制信号A、B由缓冲和开关控制71产生。因此不使用二极管连接式开关，从而避免开关上大的电压降。
[0028]L-开关50、52、54和电容器10、12、20、22、24形成左排，而L-开关60、62、64和电容器30、32、40、42、44形成右排。当左排在泵送电荷阶段，右排就在预充电阶段。因此，泵送电荷在两排之间交替进行。由于有两排对同一节点交替泵入电荷，DC+输出的输出纹波就降低。来自L-开关54的左排输出连接到来自L-开关64的右排输出。
[0029]可以增加每排的级数以获得所需的输出电压DC+。例如，在L-开关54后增加另一个L-开关50，可以加到第四级。左排第四个L-开关(未示出)会有另一个电容器20 (未示出)在第二电容器阵列中，位于第四L-开关右输入和BRF+之间，还会有另一个电容器10(未示出)在第一电容器阵列中，位于第四L-开关底部输入和BRF-之间。同样，右排第四个L-开关(未示出)会有另一个电容器40(未示出)第四电容器阵列中，位于左排第四L-开关左输入和BRF-之间，还会有另一个电容器30 (未示出)在第三电容器阵列中，位于左排第四L-开关底部输入和BRF+之间。
[0030]图4是更详细的前几级L-开关的示意图。L-开关50有级转换开关70和预充电开关72。预充电开关72的目的是为了对输入电容器20进行预充电，而级转换开关70的目的是为了将电荷转移到下一级，从电容器20到电容器10。
[0031]控制信号A、B交替地断开和闭合开关70、72。当级转换开关70闭合时，预充电开关72断开。同样，当级转换开关70断开时，预充电开关72闭合。理想的情况A和B是无重叠的，但有轻微的重叠仍然允许泵送电荷操作，在效率上没有大的损失。
[0032]L-开关60、62、64和L-开关50、52、54上的A和B控制是互换的。控制信号A被施加到左排预充电开关72、76和右排级转换开关80、84上。控制信号B被施加到右排预充电开关82、86和左排级转换开关70、74上。左、右排上交换控制信号会使得两排交替进行运行。
[0033]图5A-B显示L-开关在预充电和泵送电荷阶段的运行。在图5A，左排是在泵送电荷阶段，右排是在预充电阶段。A为低且B为高，BRF-为低或下降，BRF+为高或上升。但是，在图5B，左排是在预充电阶段，右排是在泵送电荷阶段。A为高，B为低，BRF-为高或上升，BRF+为低或下降。
[0034]另外，在图5A，预充电开关72被低信号A断开，级转换开关70被高信号B闭合。在电容器20的左或上极板的净正电荷通过级转换开关70与电容器10的上极板共享。由于BRF-下降至低，BRF+上升至高，电荷从电容器20通过级转换开关70被推到电容器10。
[0035]类似地，BRF+上升通过电容器22耦合正电荷，然后通过级转换开关74到电容器12上极板，在电容器12下极板上的BRF-下降有助于吸引电荷到电容器12的上极板。
[0036]另外，在图5B，当A为高且B为低时，在电容器10上极板的额外电荷通过L-开关52的预充电开关76向上推进以电容器22进行预充电。而且，预充电开关72闭合，允许BRF-到电容器20B的左或上极板。BRF-上升也通过电容器12耦合，使得其上极板电压上升。
[0037]电容器10上极板的电压将会比BRF-还要高，由于通过电容器10的电荷泵送和BRF-的上升摆动耦合。同样，电容器12上极板的电压将会比电容器10上极板有更高的电压值。因此在每排里，电压逐级增加。
[0038]在下 一个循环中，如图5A，B为高，预充电开关76断开，级转换开关74闭合。电荷从电容器22上极板通过级转换开关74转移到电容器12的上极板。电容器12上极板的输出电压大于电容器10上极板的输入电压。输出电压逐级增加，直到泄漏或其它低效停止进一步的电压升高。
[0039]在每个阶段，右排都和左排相反操作。在图5A，当左排泵送电荷，右排就是预充电。预充电开关82、86闭合，使BRF+通过预充电开关82对电容器40的右或上极板进行充电。由于BRF+上升耦合，电容器30上极板的电荷向上推进，通过预充电开关86到电容器42的上/右极板。
[0040]在图5B，当左排预充电，右排就是泵送电荷。A为高，B为低，BRF-上升，BRF+下降。预充电开关82、86断开，级转换开关80、84闭合。由于BRF-上升，通过电容器40、42耦合，提高它们右/上极板的电压。电容器40上极板的更高电压驱动电荷通过级转换开关80到电容器30的上极板。同样，电容器42上极板的更高电压驱动电荷通过级转换开关84到电容器32的上极板。
[0041]在电容器30、32的上极板产生逐级更高的电压，左排的电容器10、12上也同样有逐级更高的电压。最后的电容器的上极板可以一起连接作为输出节点。任何纹波都可以通过输出节点上的电容器进行过滤。输出纹波要比只使用一排的情况要小，所以可以使用较小的输出电容器。
[0042]图6是图4-5电路的控制信号的时序图。RF+和RF-是来自接收无线电波的天线的正弦输入。缓冲产生缓冲信号BRF+、BRF-。在本实施例中，BRF+和RF+有相同的极性。控制信号A和B是交替的高和低，和BRF+、BRF-频率相同。当RF+和BRF+为高时，B为高，而当RF-和BRF-为高时，A为高。左排和右排的最后级L-开关的最终输出被组合在一起作为输出节点DC+。在每个周期DC+电压从启动开始上升，直至到达稳态电压。
[0043]图7显示NMOS实现的L-开关。L-开关50采用η沟道晶体管作为级转换开关170和预充电开关172。但是，每个晶体管都形成在其自己的阱中。级转换晶体管170的衬底节点连接到其源节点VI2，而预充电晶体管172的衬底节点连接到其源节点VII。当栅极电压为高时，η沟道晶体管就会发生导通。
[0044]在右排，L-开关60也使用η沟道晶体管，每个都形成在自己的阱中。级转换晶体管180的衬底节点连接到其源节点VI2，而预充电晶体管182的衬底节点连接到其源节点VIlo L-开关60的控制信号和L-开关50的控制信号正好是相反的。在L-开关50，A施加于预充电晶体管172的栅极，B施加于级转换晶体管170的栅极，但对于L-开关60，Α和B是反转的。在L-开关60，控制信号B施加于η沟道预充电晶体管182的栅极，控制信号A施加于η沟道级转换晶体管180的栅极。VO是输出节点，连接到该排的下一级。
[0045]图8显示CMOS实现的L-开关。左排的L-开关50使用η沟道晶体管作为级转换开关170和预充电开关172。但是，右排的L-开关60使用ρ沟道晶体管:ρ沟道级转换晶体管184和ρ沟道预充电晶体管186。
[0046]每个晶体管都形成在自己的阱中。级转换晶体管170的衬底节点连接到其源节点VI2，而预充电晶体管172的衬底节点连接到其源节点VII。当栅极电压为高时，η沟道晶体管就会导通。
[0047]对于L-开关60，ρ沟道级转换晶体管184的体节点(bulk node)连接到其源节点VOo P沟道预充电晶体管186的体节点连接到其源节点VI2。注意，P沟道晶体管和η沟道晶体管的源节点是相反的。
[0048]在右排，控制信号和左排的一样。在L-开关60，控制信号A施加于ρ沟道预充电晶体管186的栅极，控制信号B施加于ρ沟道级转换晶体管184的栅极。对于ρ沟道晶体管，栅极信号为低时才被激活，当栅极电压低于源节点时，沟道才导通。
[0049]当A为高时，η沟道预充电晶体管172导通。当A为高时，B就为低，低电平的B则导通P沟道级转换晶体管184。
[0050]当B为高时，η沟道级转换晶体管170导通。当B为高时，A就为低，低电平的A导通P沟道预充电晶体管186。
[0051]在第一阶段，当A为高且B为低时，η沟道预充电晶体管172导通，η沟道级转换晶体管170断开。对于L-开关50，VIl连接到VI2。在L-开关60，ρ沟道级转换晶体管184导通，P沟道预充电晶体管186断开。
[0052]在第二阶段，当A为低且B为高时，η沟道预充电晶体管172断开，η沟道级转换晶体管170导通。对于L-开关50，VO连接到VI2。在L-开关60，ρ沟道级转换晶体管184断开，P-沟道预充电晶体管186导通。
[0053]图9Α-Β显示对L-开关η沟道晶体管的激活衬底控制。并不是连接体节点或衬底节点到每个晶体管的源极，而是体节点或衬底节点被控制信号有效驱动。
[0054]在图9Α，L-开关50有η沟道级转换晶体管170，其衬底节点由控制信号SB有效驱动。η沟道预充电晶体管172的衬底节点由控制信号SA驱动。
[0055]在L-开关60，η沟道级转换晶体管180的衬底是由控制信号SA驱动，而其栅极由控制信号A驱动。η沟道预充电晶体管182的衬底由控制信号SB驱动，而其栅极由控制信号B驱动。因此栅极和衬底节点都一起被有效驱动至高和低。
[0056]图9Β是L-开关晶体管的有效驱动衬底的时序图。当控制信号A为高时，衬底控制信号SA也为高。当控制信号A为低时，衬底控制信号SA也为低。
[0057]同样，当控制信号B为高时，衬底控制信号SB也为高。当控制信号B为低时，衬底控制信号SB也为低。但是，控制信号A的电压电平并不等同于控制信号SA的电压电平。当低是指地电压时，高可以是双倍的电源电压(当使用VDD倍增器时)。但是，衬底控制信号SA、SB可以是只冲高到VDD。较高的Α、B信号能提高栅极驱动，同时限制衬底到VDD，这会降低闩锁的危险。SA和SB可以仅仅短时间冲高以防止闩锁衬底较长持续的正向偏压。时序图不是按比例的。控制信号A、B、SA、SB的实际的高和低电压，可以根据使用的特定程序而设置。
[0058]在栅极减小衬底上的反向偏压的同一方向上驱动衬底，最终将衬底正向偏压到漏结点，允许沟道更容易形成，降低了有效阈值电压以接通晶体管。可以加入保护带(Guardbands)，以防止由于正向偏压衬底结的闩锁效应。对于较高的频率，衬底只被正向偏压。
[0059]图10是缓冲和开关控制的示意图。图3中的缓冲和开关控制71从RF+、RF-产生控制信号。由天线接收的无线电波信号产生小信号的RF+、RF-。放大器302、304是差分比较器，其放大RF+和RF-之差，放大器302、304的输出由缓冲器306和308缓冲，以产生缓冲的信号BRF+BRF-，其驱动图3-5中的电容器的下极板。
[0060]控制信号A、B是使用先通后断逻辑(make before break logic)从放大器302、304的输出而产生的。与(AND)门90、92接收放大器302、304的输出，还接收由升压缓冲器310、312产生的A和B的交叉耦合逆，其中升压缓冲器310、312接收与门90、92的输出。
[0061]升压缓冲器310、312将控制信号A、B的高电压升压至高于电源电压的阈值。例如对于L-开关50，可以使用单级泵，以及振荡信号如BRF+、BRF-，或一些其他振荡信号。也可以使用电压倍增器。参见例如美国公开号20040104761的例子。更高的级可能没有升压，因为远远超过较低级的阈值。
[0062]控制信号A、B升高的电压使晶体管开关导通，即使当源电压本身也升高时。当使用多级时，A和B可以升压到电源电压VDD的更高数倍。由于提升了栅极电压，晶体管开关的沟道或接通电阻就降低了。
[0063]图11是也产生激活衬底控制信号的缓冲和开关控制的示意图。图3的缓冲和开关控制71从RF+、RF-产生控制信号A、B、SA、SB，用于图9A的L-开关。该电路产生BRF+、BRF-, A和B，和图10的描述。但是，衬底缓冲器314从升压缓冲器310的输入产生衬底控制信号SB，升压缓冲器310产生B。因此B和SB有相同的逻辑波形，在同一时间为高，在同一时间为低，虽然高电压值可以不同。
[0064]同样地，衬底缓冲器316从升压缓冲器312的输入产生衬底控制信号SA，升压缓冲器312产生A。因此A和SA具有相同的逻辑波形，在同一时间为高，在同一时间为低，虽然高电压值可以不同。
【其他实施例】
[0065]发明人还想到了几个其他实施例。例如三阱CMOS工艺可以用于将每个P沟道和η沟道晶体管形成在其自己阱中。当只有η沟道晶体管用于L-开关50、60时，可以使用标准的P-阱CMOS工艺。可以使用各种改进的工艺诸如注入(implant)，以调节晶体管特性和阈值、势皇(barrier)、保护环、深阱注入、金属化栅极、多层栅极、叠层式晶体管、晶体管或各种几何形状和布局等。可使用硅上绝缘体(SOI)来提供单独的阱。
[0066]ρ沟道和η沟道晶体管可以一个或两个都是有效驱动衬底。例如，仅η沟道晶体管的衬底是由SA、SB驱动，ρ沟道晶体管不是。电压的高和低可以调整，而且对于η沟道和ρ沟道晶体管也可以不同。控制信号的上升和下降时间以及相关相位都可以调节，以提高性能或降低馈通或串音，或其他原因。
[0067]虽然已经描述了一个示例应用，本发明可以应用于许多其它应用与多种类型的装置。各种连接装置或其他类型装置可由本发明供电或部分供电。可以有电池或电容器，或可以没有电池或电容器。可以使用多个电源，本发明作为后备电源，如当主电源发生故障的紧急情况下使用。
[0068]阵列中电容器的大小不必全部是相同的。在一些位置可以 使用较大的电容器，以增强泵送或电荷共享，或者在一个阵列中逐级增加或减少电容器尺寸。晶体管的尺寸不必相同。左排和右排可具有不同的晶体管和电容器的尺寸，特别是当一排使用P沟道晶体而另一排使用η沟道晶体管时。每排的级数可以是3，如图3所示，或者级数也可以更大或更小。RF信号不必是一个完美的正弦波，也可以是一个载波和一个信号的叠加，或者可以是另一种波形。可以使用各种频率，且使用频率调制、幅度调制(AM)或一些其他类型编码来承载该编码数据信号。对于缓冲和开关控制71，有许多替代方案，控制信号的时序可被调节，例如通过添加延迟、延迟线、RC延迟、滤波器、缓冲器、反相器等。
[0069]电荷可以是正的或负的。和正电荷相比，负电荷有负载子，以相反方向移动。
[0070]虽然已经呈现了电路的理论描述和运行，但是实际电路运行可使用或包括其它物理机制，尤其是对于较小的晶体管尺寸。
[0071]可以产生单独信号以驱动ρ沟道晶体管或η沟道晶体管的每个栅极，或者一组栅极。可以添加额外的升压驱动器用于单独驱动栅极控制信号。相对于参考接地或外部接地，内部接地可以浮动，当VSS不是正好等于外部接地时，P沟道晶体管就会接通和关断。可以调整升压范围，例如摆动低至-1伏而不是O伏，以更充分地接通一些晶体管。另外，晶体管中寄生的源极-体二极管可以导通，以将VSS钳位至接近零伏。
[0072]比较器302、304和升压驱动器310、312可连接到外部AC地，或连接到共模电压，或连接到参考地，或连接到内部地VSS，或连接到另一电压。可以有几个内部接地总线，如用于数字接地、模拟接地、I/o接地等。这些接地可以通过电阻器或电容器彼此分离，或可以连接在一起，例如靠近接地管脚或外部。
[0073]虽然已经描述了正弦波RF输入，但是RF输入可以是方波、不规则波、调制波、或其他波形。波形也可以随周期不同而不同，例如当承载有编码信息时。
[0074]升压驱动器310、312可以使用其他电荷泵电路或升压方法。参见例如美国公开号20040104761。
[0075]虽然已经显示了 RFID器件应用，但是该低电压整流器可用于其它应用中，尤其是那些具有非常低交流电压作为输入的应用，不管交流电是否是最终来自于一个接收RF或其他频率信号，或来自一些其他源。连接装置可以有不同于图2的其他方框图。比较器302、304可以是运算放大器、差分放大器、电流导引放大器、或其它放大器。比较器可以是具有良好输出摆幅的高增益差分放大器，或可以是其它类型的放大器或比较器。比较器可以有一对P沟道差分晶体管，每个都通过η沟道晶体管(例如一个电流镜)而接地，通过P沟道尾晶体管连接至VDD。
[0076]显示和描述的电压只是一个例子。可以使用其他值的RF+、RF-，其它晶体管特性和尺寸会导致其它值的VDD、VDC、各种接地、以及内部节点。电源电容器可以是外部的或内部的，可以包括寄生电容。
[0077]施加到ρ沟道晶体管栅极的升压栅极电压是为使这些晶体管在线性区域中导通，对于P沟道晶体管，当栅极电压是至少晶体管的阈值(低于最低的源极和漏极电压)时，才会发生线性区域导通。
[0078]对于某些技术或过程，可以使用η沟道而非ρ沟道晶体管，为各种目的可在一些节点处添加反响器、缓冲器、电容器、电阻器、门器件、或其它组件来调整电路。可以通过添加延迟线或通过控制前沿阻断单元的延迟而调整时序。也可以添加脉冲发生器。比较器的反相和非反相输入可以互换，输出的极性反转。启用和停用所述电路可用额外晶体管或以其它方式实现。可添加传送门晶体管或传输门以用于隔离。开关可以使用η沟道或ρ沟道晶体管、或者使用并联P沟道和η沟道晶体管的传输门来实现。可以添加输入电阻和/或电容器到RF+、RF-、或其他节点，或者使用更复杂的输入滤波器。对于高电压应用，开关可以使用横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管或微机电开关(MEMS)以及类似控制方案。
[0079]比较器还可以使用其它拓扑结构，例如折叠级联、电流镜、具有差分对的两级运算放大器，折叠级联或电流镜作为第一级，或有差分对的多级运算放大器，折叠级联或电流镜作为第一级。
[0080]本发明【背景技术】部分可含有关于本发明的问题或环境的背景信息而非描述其它现有技术。因此，在【背景技术】部分中包括材料并不是申请人承认现有技术。
[0081]本文中所描述的任何方法或工艺为机器实施或计算机实施的，且既定由机器、计算机或其它装置执行且不希望在没有此类机器辅助的情况下单独由人类执行。所产生的有形结果可包括在例如计算机监视器、投影装置、音频产生装置和相关媒体装置等显示装置上的报告或其它机器产生的显示，且可包括也为机器产生的硬拷贝打印输出。对其它机器的计算机控制为另一有形结果。
[0082]任何描述的优点和好处可能并不适用于本发明的所有实施例。通常在词语“装置”之前有一个或多个词语。这个在词“装置”之前的词语是方便引用权利要求要素(claimelement)，而不是意在传达一个结构性的限制。这种装置加功能的权利要求意在不仅覆盖本文描述的用于执行所述功能和其结构等同的结构，而且也覆盖等同结构。例如，尽管钉子和螺丝钉具有不同的结构，但它们是等同结构，因为它们两者都执行紧固的功能。信号是通常的电子信号，但也可以是光信号，例如可通过光纤承载。
[0083]已出于说明和描述的目的呈现了对本发明实施例的先前描述。其不希望为详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。鉴于以上教示，许多修改和变型是可能的。希望本发明的范围不受此详细描述限制，而是由所附权利要求书限制。
【主权项】
1.一种射频-直流转换器，包括: 第一射频输入和第二射频输入，其从天线接收射频信号； 缓冲电路，用于从所述第一和第二射频输入产生第一缓冲射频信号和第二缓冲射频信号，并用于产生第一控制信号和第二控制信号； 其中所述第一控制信号和第二控制信号交替指示预充电阶段和泵送电荷阶段； 第一阵列电容器，其下极板接收所述第二缓冲射频信号； 第二阵列电容器，其下极板接收所述第一缓冲射频信号； 第一排L-开关，每个L-开关都连接在所述第二阵列电容器中的输入电容器和所述第一阵列电容器中的输出电容器之间； 第三阵列电容器，其下极板接收所述第一缓冲射频信号； 第四阵列电容器，其下极板接收所述第二缓冲射频信号； 第二排L-开关，所述第二排L-开关中每个L-开关都连接在所述第四阵列电容器中的输入电容器和所述第三阵列电容器中的输出电容器之间； 其中每个L-开关包括: 预充电晶体管，其在所述预充电阶段对所述输入电容器进行充电； 级转换晶体管，其在所述泵送电荷阶段将来自所述输入电容器的电荷转移到所述输出电容器； 其中所述第一控制信号和所述第二控制信号都连接到所述第一排L-开关和所述第二排L-开关，使得所述第一排L-开关运行所述预充电阶段时，所述第二排L-开关就运行所述泵送电荷阶段； 由此，所述第一排和第二排运行相反的阶段。2.根据权利要求1所述的射频-直流转换器，其中所述第一控制信号和所述第二控制信号具有和所述射频信号相同的频率。3.根据权利要求2所述的射频-直流转换器，其中所述第一排L-开关中的第一L-开关有预充电输入，输入到所述预充电晶体管，所述预充电晶体管直接连接到所述第二缓冲射频信号； 其中所述第一排L-开关中非所述第一 L-开关的其它每个L-开关都有预充电输入，输入到所述预充电晶体管，所述预充电晶体管连接到第一排L-开关中前一 L-开关的输出电容器； 其中所述第二排L-开关中的第一 L-开关有预充电输入，输入到所述预充电晶体管，所述预充电晶体管直接连接到所述第一缓冲射频信号； 其中所述第二排L-开关中非所述第一 L-开关的其它每个L-开关都有预充电输入，输入到所述预充电晶体管，所述预充电晶体管连接到第二排L-开关中前一 L-开关的输出电容器。4.根据权利要求3所述的射频-直流转换器，其中对于所述第一排L-开关，所述级转换晶体管是η沟道晶体管，其衬底连接到源极，其中所述级转换晶体管形成在隔离的阱中，所述阱与其它晶体管隔离； 其中对于所述第一排L-开关，所述预充电晶体管是η沟道晶体管，其衬底连接到源极，其中所述预充电晶体管形成在隔离的阱中，所述阱与其它晶体管隔离。5.根据权利要求4所述的射频-直流转换器，其中所述第一控制信号施加于所述第一排L-开关的预充电晶体管的栅极上； 其中所述第二控制信号施加于所述第一排L-开关的级转换晶体管的栅极上。6.根据权利要求5所述的射频-直流转换器，其中对于所述第二排L-开关，所述级转换晶体管是η沟道晶体管，其衬底连接到源极，其中所述级转换晶体管形成在隔离的阱中，所述阱与其它晶体管隔离； 其中对于所述第二排L-开关，所述预充电晶体管是η沟道晶体管，其衬底连接到源极，其中所述预充电晶体管形成在隔离的阱中，所述阱与其它晶体管隔离。7.根据权利要求6所述的射频-直流转换器，其中所述第二控制信号施加于所述第二排L-开关的预充电晶体管的栅极上； 其中所述第一控制信号施加于所述第二排L-开关的级转换晶体管的栅极上； 由此，所述第一控制信号和所述第二控制信号是交叉耦合到所述第二排L-开关的栅极上。8.根据权利要求5所述的射频-直流转换器，其中对于所述第二排L-开关，所述级转换晶体管是P沟道晶体管，其衬底连接到源极，其中所述级转换晶体管形成在隔离的阱中，所述阱与其它晶体管隔离； 其中对于所述第二排L-开关，所述预充电晶体管是P沟道晶体管，其衬底连接到源极，其中所述预充电晶体管形成在隔离的阱中，所述阱与其它晶体管隔离。9.根据权利要求8所述的射频-直流转换器，其中所述第一控制信号施加于所述第二排L-开关的预充电晶体管的栅极上； 其中所述第二控制信号施加于所述第二排L-开关的级转换晶体管的栅极上。10.根据权利要求3所述的射频-直流转换器，其中对于所述第一排L-开关，所述级转换晶体管是η沟道晶体管，其衬底连接到第二衬底控制信号， 其中 所述级转换晶体管形成在隔离的阱中，所述阱与其它晶体管隔离； 其中对于所述第一排L-开关，所述预充电晶体管是η沟道晶体管，其衬底连接到第一衬底控制信号，其中所述预充电晶体管形成在隔离的阱中，所述阱与其它晶体管隔离:其中所述第一控制信号施加于所述第一排L-开关的预充电晶体管的栅极上； 其中所述第二控制信号施加于所述第一排L-开关的级转换晶体管的栅极上； 对于所述第二排L-开关，所述级转换晶体管是η沟道晶体管，其衬底连接到所述第一衬底控制信号，其中所述级转换晶体管形成在隔离的阱中，所述阱与其它晶体管隔离；其中对于所述第二排L-开关，所述预充电晶体管是η沟道晶体管，其衬底连接到所述第二衬底控制信号，其中所述预充电晶体管形成在隔离的阱中，所述阱与其它晶体管隔离: 其中所述第二控制信号施加于所述第二排L-开关的预充电晶体管的栅极上； 其中所述第一控制信号施加于所述第二排L-开关的级转换晶体管的栅极上； 由此，所述第一控制信号和所述第二控制信号是交叉耦合到所述第二排L-开关的栅极上。11.根据权利要求10所述的射频-直流转换器，其中所述缓冲电路产生所述第一衬底控制信号，其和所述第一控制信号具有相同极性，并产生第二衬底控制信号，其和所述第二控制信号具有相同极性；由此，衬底被有效驱动至高和低，与所述栅极具有相同极性。12.根据权利要求3所述的射频-直流转换器，其中所述缓冲电路还包括: 先断后通电路，用于产生所述第一控制信号和所述第二控制信号作为非重叠信号； 第一升压缓冲器，用于驱动所述第一控制信号高至升压值，所述升压值大于电源电压； 第二升压缓冲器，用于驱动所述第二控制信号高至所述升压值，所述升压值大于电源电压。13.根据权利要求3所述的射频-直流转换器，其中所述缓冲电路还包括:第一升压缓冲器，用于产生所述第一控制信号，其具有高于电源电压的高电压； 第二升压缓冲器，用于产生所述第二控制信号，其具有高于电源电压的高电压； 其中所述第一排L-开关中最后级的输出连接到所述第二排L-开关中最后级的输出，以提供所述电源电压。14.一种能量收集电路，包括: 第一多个L-开关，其中所述第一多个L-开关中每个L-开关包括: 第一预充电晶体管，其沟道连接在级输入电容器和级输入节点之间； 第一级转换晶体管，其沟道连接在所述级输入电容器和级输出之间； 第二多个L-开关，其中所述第二多个L-开关中每个L-开关包括: 第二预充电晶体管，其沟道连接在级输入电容器和级输入节点之间； 第二级转换晶体管，其沟道连接在所述级输入电容器和级输出之间； 控制电路，其从天线接收输入，并产生第一缓冲输入和第二缓冲输入，所述控制电路还产生第一控制信号和第二控制信号，它们与来自所述天线的所述输入具有同一周期，其中所述第一控制信号和所述第二控制信号是非重叠的交替信号； 第一阵列电容器，每个都连接到所述第二缓冲输入，所述第一阵列电容器每个也都连接到所述第一多个L-开关中L-开关的第一级转换晶体管的所述级输出，每个也都连接到所述第一预充电晶体管的所述级输入节点，其中所述第一多个L-开关中前一 L-开关的级输出连接到所述第一多个L-开关中下一 L-开关的级输入节点； 第二阵列电容器，每个都连接到所述第一缓冲输入，所述第二阵列电容器每个也都是所述级输入电容器，其连接到所述第一多个L-开关中L-开关的第一级转换晶体管； 第三阵列电容器，每个都连接到所述第一缓冲输入，所述第三阵列电容器每个也都连接到所述第二多个L-开关中L-开关的第二级转换晶体管的所述级输出，每个也都连接到所述第二预充电晶体管的所述级输入节点，其中所述第二多个L-开关中前一 L-开关的级输出连接到所述第二多个L-开关中下一 L-开关的级输入节点； 第四阵列电容器，每个都连接到所述第二缓冲输入，所述第四阵列电容器每个也都是所述级输入电容器，其连接到所述第二多个L-开关中L-开关的第二级转换晶体管；电源线，用于供电给电路，或用于对电池充电；其中所述第一多个L-开关中最后一个L-开关的级输出驱动所述电源线；其中所述第二多个L-开关中最后一个L-开关的级输出也驱动所述电源线。15.根据权利要求14所述的能量收集电路，其中所述第一多个L-开关包括至少三个L-开关； 其中所述第二多个L-开关包括至少三个L-开关； 其中所述第一预充电晶体管是η沟道晶体管，其栅极接收所述第一控制信号； 其中所述第一级转换晶体管是η沟道晶体管，其栅极接收所述第二控制信号。16.根据权利要求15所述的能量收集电路，其中所述第二预充电晶体管是P沟道晶体管，其栅极接收所述第一控制信号: 其中所述第二级转换晶体管是P沟道晶体管，其栅极接收所述第二控制信号； 其中所述第一预充电晶体管有隔离衬底，所述隔离衬底连接到所述级输入节点； 其中所述第一级转换晶体管有隔离衬底，所述隔离衬底连接到所述级输入电容器； 其中所述第二预充电晶体管有隔离衬底，所述隔离衬底连接到所述级输入电容器； 其中所述第二级转换晶体管有隔离衬底，所述隔离衬底连接到所述级输出。17.根据权利要求15所述的能量收集电路，其中所述第二预充电晶体管是η沟道晶体管，其栅极接收所述第二控制信号: 其中所述第二级转换晶体管是η沟道晶体管，其栅极接收所述第一控制信号； 其中所述第一预充电晶体管有隔离衬底，所述隔离衬底连接到所述级输入节点； 其中所述第一级转换晶体管有隔离衬底，所述隔离衬底连接到所述级输入电容器； 其中所述第二预充电晶体管有隔离衬底，所述隔离衬底连接到所述级输入节点； 其中所述第二级转换晶体管有隔离衬底，所述隔离衬底连接到所述级输入电容器。18.根据权利要求15所述的能量收集电路，还包括: 第一激活衬底控制信号，其由所述控制电路产生，和所述第一控制信号同相； 第二激活衬底控制信号，其由所述控制电路产生，和所述第二控制信号同相； 其中所述第一预充电晶体管有隔离衬底，其由所述第一激活衬底控制信号驱动； 其中所述第一级转换晶体管有隔离衬底，其由所述第二激活衬底控制信号驱动； 其中所述第二预充电晶体管有隔离衬底，其由所述第二激活衬底控制信号驱动； 其中所述第二级转换晶体管有隔离衬底，其由所述第一激活衬底控制信号驱动； 由此，衬底被有效驱动至高和低。19.一种射频-直流能量收集器，包括: 天线，用于接收射频射频信号； 缓冲电路，其连接到所述天线，用于产生正缓冲射频信号和负缓冲射频信号，以及第一控制信号和第二控制信号； 第一阵列电容器，其下极板接收所述负缓冲射频信号； 第二阵列电容器，其下极板接收所述正缓冲射频信号； 第一排L-开关，每个L-开关都连接在所述第二阵列电容器中输入电容器和所述第一阵列电容器中输出电容器之间； 第三阵列电容器，其下极板接收所述正缓冲射频信号； 第四阵列电容器，其下极板接收所述负缓冲射频信号； 第二排L-开关，每个L-开关都连接在所述第四阵列电容器中输入电容器和所述第三阵列电容器中输出电容器之间； 其中每个L-开关包括: 预充电晶体管装置，用于对所述输入电容器进行充电； 级转换晶体管装置，用于将电荷从所述输入电容器转移到所述输出电容器； 第一控制阶段装置，其在所述缓冲电路中，用于产生所述第一控制信号和所述第二控制信号，在所述第一排L-开关中，激活所述级转换晶体管装置而导通，且停用所述第一排L-开关的所述预充电晶体管装置而隔离、不导通，同时在所述第二排L-开关中，激活所述预充电晶体管装置而导通，停用所述级转换晶体管装置而隔离、不导通； 第二控制阶段装置，其在所述缓冲电路中，用于产生所述第一控制信号和所述第二控制信号，在所述第一排L-开关中，激活所述预充电晶体管装置而导通，且停用所述第一排L-开关的所述级转换晶体管装置而隔离、不导通，同时在所述第二排L-开关中，激活所述级转换晶体管装置而导通，停用所述预充电晶体管装置而隔离、不导通； 其中所述第一控制信号和所述第二控制信号连接到所述第一排L-开关和所述第二排L-开关。20.根据权利要求19所述的射频-直流能量收集器，还包括: 第一激活衬底控制装置，用于产生第一衬底控制信号，当所述第一控制信号上升时，所述第一衬底控制信号上升，当所述第一控制信号下降时，所述第一衬底控制信号下降； 第二激活衬底控制装置，用于产生第二衬底控制信号，当所述第二控制信号上升时，所述第二衬底控制信号上升，当所述第二控制信号下降时，所述第二衬底控制信号下降； 其中所述预充电晶体管装置包括η沟道晶体管，其衬底不与其它晶体管共享；。 其中所述级转换晶体管装置包括η沟道晶体管，其衬底不与其它晶体管共享； 其中η沟道晶体管在其栅极上接收所述第一控制信号，在其衬底上接收所述第一衬底控制信号； 其中对于每个预充电晶体管装置以及对于每个级转换晶体管装置，当所述栅极被驱动至高时，所述衬底被有效驱动至高，当所述栅极被驱动至低时，所述衬底被有效驱动至底；由此，衬底和栅极都被有效驱动。
【专利摘要】本发明公开了一种RF-DC转换器，其能从接收的无线电波能量对电池进行充电或给电路供电。对于远场应用，接收的RF能量是非常小的，所以转换器必须具有高灵敏度。四个电容器阵列被布置成两排。缓冲RF信号泵送电荷给电容器的下极板。每排中的一系列L-开关连接在该排两个电容器阵列之间。每个L-开关都有一个预充电开关和一个级转换开关，预充电开关对该级的输入电容器进行充电，级转换开关将电荷从该级的输入电容转移到该级的输出电容器。两排开关交替预充电和泵送电荷，左排泵送电荷时右排就预充电。开关是由衬底连接其源极或通过衬底控制信号有效驱动衬底的晶体管来实现。一排可以使用n沟道晶体管，另一排使用p沟道晶体管。栅极电压会被提升。
【IPC分类】H02J17/00, H02J7/00
【公开号】CN104901433
【申请号】CN201510249794
【发明人】邝国权, 黎日东, 郭家雄
【申请人】香港应用科技研究院有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月15日
【专利说明】
【技术领域】
[0001]本发明涉及射频(RF)到直流电(DC)的转换电路，特别涉及高灵敏度的能量收集电路。
【【背景技术】】
[0002]半导体技术的进步已经允许日益复杂的系统集成入更小的封装内。小型装置可含有某些电路以连接到互联网上，并执行一些有用的功能，例如感测温度、心率或加速度，或者控制相机、冰箱、门锁、或汽车子系统。大量的这种连接装置将会存在于物联网(1T)上。
[0003]相较于有线连接，无线连接往往是首选，以减少安装成本。大多数的这些连接装置会是电池供电的，但有些会从外部电磁辐射(EM)获得能量，例如无线电波。能量收集电路可以从外部EM源提取能量，以给电路供电或给电池充电。
[0004]近场通信(NFC)电路的接收器往往和发射器非常靠近，例如在几厘米之内或几乎相互接触。但是，大多数连接装置并不会放置得如此接近接收器。NFC比远场具有更高的能量传递。因此NFC能量收集不适合用于多数连接装置，因为对于近场效果它们放置得离发射器太远了。
[0005]图1显示一个远场能量收集应用。转发器或基站142发送射频(RF)波给连接装置140。互联网协议(IP)组包可被编码并通过RF波传送。连接装置140可传输返回数据包到基站142，返回数据包包括确认和传感器数据。
[0006]连接装置140可以有小电池或电容器，其可以从基站142接收能量进行再充电。RF波能量被每个连接装置140内的能量收集电路或RF-DC转换电路转换成直流电(DC)。当从基站142接收到RF能量时，连接装置140可以唤醒并执行各种程序功能。
[0007]基站142到连接装置之间的距离140是不同的，但通常都远远超过近场边界，而远场能量转换又比近场低效太多和损耗太多。能量转换的理论值依赖于RF频率、发射功率、基站142和连接装置140之间的距离。例如，如果连接装置140和基站142距离10米，连接装置140上有一个50欧姆的天线，那么基站142的900兆赫RF发射会导致只接收到28 μ W(微瓦)的74毫伏的信号。
[0008]迪克森电荷泵(Dickson charge pumps)和其他整流器已被用来作为能源收集电路。但是，输入灵敏度和功率转换效率还不足以用于许多应用。晶体管阈值电压会消耗太多的来自微小天线的小的可用的输入信号。二极管或二极管连接式晶体管具有过大的电压降，因而消耗过多的小输入信号。
[0009]图2是从外部RF传输获取电力的连接装置的方框图。连接装置140有基带处理器102，其执行在EEPROM 104中的程序或例程，通过接口模数转换器(ADC) 106读取传感器116。基带处理器102将传感器数据嵌入IP包，该IP包通过天线122由发射器112发射到外部基站。从天线122接收的来自基站的数据包则由接收器108接收并由基带处理器102处理。
[0010]RF-DC转换器110从天线122接收信号，并产生直流电压，对电容器114充电。电容器114作为电池对装置120和传感器116的所有部件进行供电。对于射频波来说，由于天线122的接收功率非常小，所以RF-DC转换器110必须具有高效率和高敏感度。期望有低纹波的输出，这样才能使用较小的电容器114。
[0011]期望有一种能用于低功耗应用的RF-DC转换器，用于连接装置。期望有一种高效率的高敏感度的RF-DC转换器。期望有一种使用标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的、可以转换由RF波产生的小电压的非近场的能量收集电路。
【【附图说明】】
[0012]图1显示远场能量收集应用。
[0013]图2是从外部RF传输获得电力的连接装置的方框图。
[0014]图3是使用双排L-开关网络及四个电容器阵列的RF-DC转换器的示意图。
[0015]图4是前几级L-开关更详细的示意图。
[0016]图5A-B显示L-开关在预充电和泵送电荷阶段的运行。
[0017]图6是图3-5电路的控制信号的时序图。
[0018]图7显示NMOS实现的L-开关。
[0019]图8显示CMOS实现的L-开关。
[0020]图9A-B显示对L-开关η沟道晶体管的激活衬底控制。
[0021 ] 图10是缓冲和开关控制的示意图。
[0022]图11是也产生激活衬底控制信号的缓冲和开关控制的示意图。
【【具体实施方式】】
[0023]本发明涉及改进的RF-DC转换器。以下描述使本领域技术人员能够依照特定应用及其要求制作和使用在此提供的本发明。所属领域的技术人员将明了对优选实施例的各种修改，且本文所界定的一般原理可应用于其它实施例。因此，本发明不希望限于所展示和描述的特定实施例，而是应被赋予与本文所揭示的原理和新颖特征一致的最广范围。
[0024]图3是使用双排L-开关网络以及四个电容器阵列的RF-DC转换器的示意图。从天线接收射频信号RF+、RF-，并转换为直流输出DC+，然后可对电容器或电池充电，以收集RF能量。电容器或电池可连接在DC+和地之间。
[0025]缓冲和开关控制71接收RF+、RF-，并缓冲这些信号以产生缓冲RF信号BRF+、BRF-o这些信号与RF信号摆幅调制，并对四个电容器阵列的电容器极板泵入电荷(pump)。BRF+对第二电容器阵列的电容器20、22、24和第三电容器矩阵的电容器30、32的极板泵入电荷。BRF-对第一电容器阵列的电容器10、12和第四电容器阵列的电容器40、42、44的极板泵入电荷。
[0026]L-开关50、52、54、60、62、64各自充当阀门，以分离并将注入电荷从一个电容器转移到另一个电容器。一系列这样的L-开关会增加被注入电荷的电压。因此，通过L-开关52的电压输出比通过L-开关50的电压输出要高。这一系列中的最后的L-开关将DC+输出驱动到最高泵升电。因此，一个小的RF+、RF-输入电压就被泵入电荷增加到以产生一个直流输出电压。
[0027]每个L-开关50、52、54、60、62、64有两个MOS晶体管以倒L型布置。这两个晶体管的栅极都由控制信号A、B控制，控制信号A、B由缓冲和开关控制71产生。因此不使用二极管连接式开关，从而避免开关上大的电压降。
[0028]L-开关50、52、54和电容器10、12、20、22、24形成左排，而L-开关60、62、64和电容器30、32、40、42、44形成右排。当左排在泵送电荷阶段，右排就在预充电阶段。因此，泵送电荷在两排之间交替进行。由于有两排对同一节点交替泵入电荷，DC+输出的输出纹波就降低。来自L-开关54的左排输出连接到来自L-开关64的右排输出。
[0029]可以增加每排的级数以获得所需的输出电压DC+。例如，在L-开关54后增加另一个L-开关50，可以加到第四级。左排第四个L-开关(未示出)会有另一个电容器20 (未示出)在第二电容器阵列中，位于第四L-开关右输入和BRF+之间，还会有另一个电容器10(未示出)在第一电容器阵列中，位于第四L-开关底部输入和BRF-之间。同样，右排第四个L-开关(未示出)会有另一个电容器40(未示出)第四电容器阵列中，位于左排第四L-开关左输入和BRF-之间，还会有另一个电容器30 (未示出)在第三电容器阵列中，位于左排第四L-开关底部输入和BRF+之间。
[0030]图4是更详细的前几级L-开关的示意图。L-开关50有级转换开关70和预充电开关72。预充电开关72的目的是为了对输入电容器20进行预充电，而级转换开关70的目的是为了将电荷转移到下一级，从电容器20到电容器10。
[0031]控制信号A、B交替地断开和闭合开关70、72。当级转换开关70闭合时，预充电开关72断开。同样，当级转换开关70断开时，预充电开关72闭合。理想的情况A和B是无重叠的，但有轻微的重叠仍然允许泵送电荷操作，在效率上没有大的损失。
[0032]L-开关60、62、64和L-开关50、52、54上的A和B控制是互换的。控制信号A被施加到左排预充电开关72、76和右排级转换开关80、84上。控制信号B被施加到右排预充电开关82、86和左排级转换开关70、74上。左、右排上交换控制信号会使得两排交替进行运行。
[0033]图5A-B显示L-开关在预充电和泵送电荷阶段的运行。在图5A，左排是在泵送电荷阶段，右排是在预充电阶段。A为低且B为高，BRF-为低或下降，BRF+为高或上升。但是，在图5B，左排是在预充电阶段，右排是在泵送电荷阶段。A为高，B为低，BRF-为高或上升，BRF+为低或下降。
[0034]另外，在图5A，预充电开关72被低信号A断开，级转换开关70被高信号B闭合。在电容器20的左或上极板的净正电荷通过级转换开关70与电容器10的上极板共享。由于BRF-下降至低，BRF+上升至高，电荷从电容器20通过级转换开关70被推到电容器10。
[0035]类似地，BRF+上升通过电容器22耦合正电荷，然后通过级转换开关74到电容器12上极板，在电容器12下极板上的BRF-下降有助于吸引电荷到电容器12的上极板。
[0036]另外，在图5B，当A为高且B为低时，在电容器10上极板的额外电荷通过L-开关52的预充电开关76向上推进以电容器22进行预充电。而且，预充电开关72闭合，允许BRF-到电容器20B的左或上极板。BRF-上升也通过电容器12耦合，使得其上极板电压上升。
[0037]电容器10上极板的电压将会比BRF-还要高，由于通过电容器10的电荷泵送和BRF-的上升摆动耦合。同样，电容器12上极板的电压将会比电容器10上极板有更高的电压值。因此在每排里，电压逐级增加。
[0038]在下 一个循环中，如图5A，B为高，预充电开关76断开，级转换开关74闭合。电荷从电容器22上极板通过级转换开关74转移到电容器12的上极板。电容器12上极板的输出电压大于电容器10上极板的输入电压。输出电压逐级增加，直到泄漏或其它低效停止进一步的电压升高。
[0039]在每个阶段，右排都和左排相反操作。在图5A，当左排泵送电荷，右排就是预充电。预充电开关82、86闭合，使BRF+通过预充电开关82对电容器40的右或上极板进行充电。由于BRF+上升耦合，电容器30上极板的电荷向上推进，通过预充电开关86到电容器42的上/右极板。
[0040]在图5B，当左排预充电，右排就是泵送电荷。A为高，B为低，BRF-上升，BRF+下降。预充电开关82、86断开，级转换开关80、84闭合。由于BRF-上升，通过电容器40、42耦合，提高它们右/上极板的电压。电容器40上极板的更高电压驱动电荷通过级转换开关80到电容器30的上极板。同样，电容器42上极板的更高电压驱动电荷通过级转换开关84到电容器32的上极板。
[0041]在电容器30、32的上极板产生逐级更高的电压，左排的电容器10、12上也同样有逐级更高的电压。最后的电容器的上极板可以一起连接作为输出节点。任何纹波都可以通过输出节点上的电容器进行过滤。输出纹波要比只使用一排的情况要小，所以可以使用较小的输出电容器。
[0042]图6是图4-5电路的控制信号的时序图。RF+和RF-是来自接收无线电波的天线的正弦输入。缓冲产生缓冲信号BRF+、BRF-。在本实施例中，BRF+和RF+有相同的极性。控制信号A和B是交替的高和低，和BRF+、BRF-频率相同。当RF+和BRF+为高时，B为高，而当RF-和BRF-为高时，A为高。左排和右排的最后级L-开关的最终输出被组合在一起作为输出节点DC+。在每个周期DC+电压从启动开始上升，直至到达稳态电压。
[0043]图7显示NMOS实现的L-开关。L-开关50采用η沟道晶体管作为级转换开关170和预充电开关172。但是，每个晶体管都形成在其自己的阱中。级转换晶体管170的衬底节点连接到其源节点VI2，而预充电晶体管172的衬底节点连接到其源节点VII。当栅极电压为高时，η沟道晶体管就会发生导通。
[0044]在右排，L-开关60也使用η沟道晶体管，每个都形成在自己的阱中。级转换晶体管180的衬底节点连接到其源节点VI2，而预充电晶体管182的衬底节点连接到其源节点VIlo L-开关60的控制信号和L-开关50的控制信号正好是相反的。在L-开关50，A施加于预充电晶体管172的栅极，B施加于级转换晶体管170的栅极，但对于L-开关60，Α和B是反转的。在L-开关60，控制信号B施加于η沟道预充电晶体管182的栅极，控制信号A施加于η沟道级转换晶体管180的栅极。VO是输出节点，连接到该排的下一级。
[0045]图8显示CMOS实现的L-开关。左排的L-开关50使用η沟道晶体管作为级转换开关170和预充电开关172。但是，右排的L-开关60使用ρ沟道晶体管:ρ沟道级转换晶体管184和ρ沟道预充电晶体管186。
[0046]每个晶体管都形成在自己的阱中。级转换晶体管170的衬底节点连接到其源节点VI2，而预充电晶体管172的衬底节点连接到其源节点VII。当栅极电压为高时，η沟道晶体管就会导通。
[0047]对于L-开关60，ρ沟道级转换晶体管184的体节点(bulk node)连接到其源节点VOo P沟道预充电晶体管186的体节点连接到其源节点VI2。注意，P沟道晶体管和η沟道晶体管的源节点是相反的。
[0048]在右排，控制信号和左排的一样。在L-开关60，控制信号A施加于ρ沟道预充电晶体管186的栅极，控制信号B施加于ρ沟道级转换晶体管184的栅极。对于ρ沟道晶体管，栅极信号为低时才被激活，当栅极电压低于源节点时，沟道才导通。
[0049]当A为高时，η沟道预充电晶体管172导通。当A为高时，B就为低，低电平的B则导通P沟道级转换晶体管184。
[0050]当B为高时，η沟道级转换晶体管170导通。当B为高时，A就为低，低电平的A导通P沟道预充电晶体管186。
[0051]在第一阶段，当A为高且B为低时，η沟道预充电晶体管172导通，η沟道级转换晶体管170断开。对于L-开关50，VIl连接到VI2。在L-开关60，ρ沟道级转换晶体管184导通，P沟道预充电晶体管186断开。
[0052]在第二阶段，当A为低且B为高时，η沟道预充电晶体管172断开，η沟道级转换晶体管170导通。对于L-开关50，VO连接到VI2。在L-开关60，ρ沟道级转换晶体管184断开，P-沟道预充电晶体管186导通。
[0053]图9Α-Β显示对L-开关η沟道晶体管的激活衬底控制。并不是连接体节点或衬底节点到每个晶体管的源极，而是体节点或衬底节点被控制信号有效驱动。
[0054]在图9Α，L-开关50有η沟道级转换晶体管170，其衬底节点由控制信号SB有效驱动。η沟道预充电晶体管172的衬底节点由控制信号SA驱动。
[0055]在L-开关60，η沟道级转换晶体管180的衬底是由控制信号SA驱动，而其栅极由控制信号A驱动。η沟道预充电晶体管182的衬底由控制信号SB驱动，而其栅极由控制信号B驱动。因此栅极和衬底节点都一起被有效驱动至高和低。
[0056]图9Β是L-开关晶体管的有效驱动衬底的时序图。当控制信号A为高时，衬底控制信号SA也为高。当控制信号A为低时，衬底控制信号SA也为低。
[0057]同样，当控制信号B为高时，衬底控制信号SB也为高。当控制信号B为低时，衬底控制信号SB也为低。但是，控制信号A的电压电平并不等同于控制信号SA的电压电平。当低是指地电压时，高可以是双倍的电源电压(当使用VDD倍增器时)。但是，衬底控制信号SA、SB可以是只冲高到VDD。较高的Α、B信号能提高栅极驱动，同时限制衬底到VDD，这会降低闩锁的危险。SA和SB可以仅仅短时间冲高以防止闩锁衬底较长持续的正向偏压。时序图不是按比例的。控制信号A、B、SA、SB的实际的高和低电压，可以根据使用的特定程序而设置。
[0058]在栅极减小衬底上的反向偏压的同一方向上驱动衬底，最终将衬底正向偏压到漏结点，允许沟道更容易形成，降低了有效阈值电压以接通晶体管。可以加入保护带(Guardbands)，以防止由于正向偏压衬底结的闩锁效应。对于较高的频率，衬底只被正向偏压。
[0059]图10是缓冲和开关控制的示意图。图3中的缓冲和开关控制71从RF+、RF-产生控制信号。由天线接收的无线电波信号产生小信号的RF+、RF-。放大器302、304是差分比较器，其放大RF+和RF-之差，放大器302、304的输出由缓冲器306和308缓冲，以产生缓冲的信号BRF+BRF-，其驱动图3-5中的电容器的下极板。
[0060]控制信号A、B是使用先通后断逻辑(make before break logic)从放大器302、304的输出而产生的。与(AND)门90、92接收放大器302、304的输出，还接收由升压缓冲器310、312产生的A和B的交叉耦合逆，其中升压缓冲器310、312接收与门90、92的输出。
[0061]升压缓冲器310、312将控制信号A、B的高电压升压至高于电源电压的阈值。例如对于L-开关50，可以使用单级泵，以及振荡信号如BRF+、BRF-，或一些其他振荡信号。也可以使用电压倍增器。参见例如美国公开号20040104761的例子。更高的级可能没有升压，因为远远超过较低级的阈值。
[0062]控制信号A、B升高的电压使晶体管开关导通，即使当源电压本身也升高时。当使用多级时，A和B可以升压到电源电压VDD的更高数倍。由于提升了栅极电压，晶体管开关的沟道或接通电阻就降低了。
[0063]图11是也产生激活衬底控制信号的缓冲和开关控制的示意图。图3的缓冲和开关控制71从RF+、RF-产生控制信号A、B、SA、SB，用于图9A的L-开关。该电路产生BRF+、BRF-, A和B，和图10的描述。但是，衬底缓冲器314从升压缓冲器310的输入产生衬底控制信号SB，升压缓冲器310产生B。因此B和SB有相同的逻辑波形，在同一时间为高，在同一时间为低，虽然高电压值可以不同。
[0064]同样地，衬底缓冲器316从升压缓冲器312的输入产生衬底控制信号SA，升压缓冲器312产生A。因此A和SA具有相同的逻辑波形，在同一时间为高，在同一时间为低，虽然高电压值可以不同。
【其他实施例】
[0065]发明人还想到了几个其他实施例。例如三阱CMOS工艺可以用于将每个P沟道和η沟道晶体管形成在其自己阱中。当只有η沟道晶体管用于L-开关50、60时，可以使用标准的P-阱CMOS工艺。可以使用各种改进的工艺诸如注入(implant)，以调节晶体管特性和阈值、势皇(barrier)、保护环、深阱注入、金属化栅极、多层栅极、叠层式晶体管、晶体管或各种几何形状和布局等。可使用硅上绝缘体(SOI)来提供单独的阱。
[0066]ρ沟道和η沟道晶体管可以一个或两个都是有效驱动衬底。例如，仅η沟道晶体管的衬底是由SA、SB驱动，ρ沟道晶体管不是。电压的高和低可以调整，而且对于η沟道和ρ沟道晶体管也可以不同。控制信号的上升和下降时间以及相关相位都可以调节，以提高性能或降低馈通或串音，或其他原因。
[0067]虽然已经描述了一个示例应用，本发明可以应用于许多其它应用与多种类型的装置。各种连接装置或其他类型装置可由本发明供电或部分供电。可以有电池或电容器，或可以没有电池或电容器。可以使用多个电源，本发明作为后备电源，如当主电源发生故障的紧急情况下使用。
[0068]阵列中电容器的大小不必全部是相同的。在一些位置可以 使用较大的电容器，以增强泵送或电荷共享，或者在一个阵列中逐级增加或减少电容器尺寸。晶体管的尺寸不必相同。左排和右排可具有不同的晶体管和电容器的尺寸，特别是当一排使用P沟道晶体而另一排使用η沟道晶体管时。每排的级数可以是3，如图3所示，或者级数也可以更大或更小。RF信号不必是一个完美的正弦波，也可以是一个载波和一个信号的叠加，或者可以是另一种波形。可以使用各种频率，且使用频率调制、幅度调制(AM)或一些其他类型编码来承载该编码数据信号。对于缓冲和开关控制71，有许多替代方案，控制信号的时序可被调节，例如通过添加延迟、延迟线、RC延迟、滤波器、缓冲器、反相器等。
[0069]电荷可以是正的或负的。和正电荷相比，负电荷有负载子，以相反方向移动。
[0070]虽然已经呈现了电路的理论描述和运行，但是实际电路运行可使用或包括其它物理机制，尤其是对于较小的晶体管尺寸。
[0071]可以产生单独信号以驱动ρ沟道晶体管或η沟道晶体管的每个栅极，或者一组栅极。可以添加额外的升压驱动器用于单独驱动栅极控制信号。相对于参考接地或外部接地，内部接地可以浮动，当VSS不是正好等于外部接地时，P沟道晶体管就会接通和关断。可以调整升压范围，例如摆动低至-1伏而不是O伏，以更充分地接通一些晶体管。另外，晶体管中寄生的源极-体二极管可以导通，以将VSS钳位至接近零伏。
[0072]比较器302、304和升压驱动器310、312可连接到外部AC地，或连接到共模电压，或连接到参考地，或连接到内部地VSS，或连接到另一电压。可以有几个内部接地总线，如用于数字接地、模拟接地、I/o接地等。这些接地可以通过电阻器或电容器彼此分离，或可以连接在一起，例如靠近接地管脚或外部。
[0073]虽然已经描述了正弦波RF输入，但是RF输入可以是方波、不规则波、调制波、或其他波形。波形也可以随周期不同而不同，例如当承载有编码信息时。
[0074]升压驱动器310、312可以使用其他电荷泵电路或升压方法。参见例如美国公开号20040104761。
[0075]虽然已经显示了 RFID器件应用，但是该低电压整流器可用于其它应用中，尤其是那些具有非常低交流电压作为输入的应用，不管交流电是否是最终来自于一个接收RF或其他频率信号，或来自一些其他源。连接装置可以有不同于图2的其他方框图。比较器302、304可以是运算放大器、差分放大器、电流导引放大器、或其它放大器。比较器可以是具有良好输出摆幅的高增益差分放大器，或可以是其它类型的放大器或比较器。比较器可以有一对P沟道差分晶体管，每个都通过η沟道晶体管(例如一个电流镜)而接地，通过P沟道尾晶体管连接至VDD。
[0076]显示和描述的电压只是一个例子。可以使用其他值的RF+、RF-，其它晶体管特性和尺寸会导致其它值的VDD、VDC、各种接地、以及内部节点。电源电容器可以是外部的或内部的，可以包括寄生电容。
[0077]施加到ρ沟道晶体管栅极的升压栅极电压是为使这些晶体管在线性区域中导通，对于P沟道晶体管，当栅极电压是至少晶体管的阈值(低于最低的源极和漏极电压)时，才会发生线性区域导通。
[0078]对于某些技术或过程，可以使用η沟道而非ρ沟道晶体管，为各种目的可在一些节点处添加反响器、缓冲器、电容器、电阻器、门器件、或其它组件来调整电路。可以通过添加延迟线或通过控制前沿阻断单元的延迟而调整时序。也可以添加脉冲发生器。比较器的反相和非反相输入可以互换，输出的极性反转。启用和停用所述电路可用额外晶体管或以其它方式实现。可添加传送门晶体管或传输门以用于隔离。开关可以使用η沟道或ρ沟道晶体管、或者使用并联P沟道和η沟道晶体管的传输门来实现。可以添加输入电阻和/或电容器到RF+、RF-、或其他节点，或者使用更复杂的输入滤波器。对于高电压应用，开关可以使用横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管或微机电开关(MEMS)以及类似控制方案。
[0079]比较器还可以使用其它拓扑结构，例如折叠级联、电流镜、具有差分对的两级运算放大器，折叠级联或电流镜作为第一级，或有差分对的多级运算放大器，折叠级联或电流镜作为第一级。
[0080]本发明【背景技术】部分可含有关于本发明的问题或环境的背景信息而非描述其它现有技术。因此，在【背景技术】部分中包括材料并不是申请人承认现有技术。
[0081]本文中所描述的任何方法或工艺为机器实施或计算机实施的，且既定由机器、计算机或其它装置执行且不希望在没有此类机器辅助的情况下单独由人类执行。所产生的有形结果可包括在例如计算机监视器、投影装置、音频产生装置和相关媒体装置等显示装置上的报告或其它机器产生的显示，且可包括也为机器产生的硬拷贝打印输出。对其它机器的计算机控制为另一有形结果。
[0082]任何描述的优点和好处可能并不适用于本发明的所有实施例。通常在词语“装置”之前有一个或多个词语。这个在词“装置”之前的词语是方便引用权利要求要素(claimelement)，而不是意在传达一个结构性的限制。这种装置加功能的权利要求意在不仅覆盖本文描述的用于执行所述功能和其结构等同的结构，而且也覆盖等同结构。例如，尽管钉子和螺丝钉具有不同的结构，但它们是等同结构，因为它们两者都执行紧固的功能。信号是通常的电子信号，但也可以是光信号，例如可通过光纤承载。
[0083]已出于说明和描述的目的呈现了对本发明实施例的先前描述。其不希望为详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。鉴于以上教示，许多修改和变型是可能的。希望本发明的范围不受此详细描述限制，而是由所附权利要求书限制。
【主权项】
1.一种射频-直流转换器，包括: 第一射频输入和第二射频输入，其从天线接收射频信号； 缓冲电路，用于从所述第一和第二射频输入产生第一缓冲射频信号和第二缓冲射频信号，并用于产生第一控制信号和第二控制信号； 其中所述第一控制信号和第二控制信号交替指示预充电阶段和泵送电荷阶段； 第一阵列电容器，其下极板接收所述第二缓冲射频信号； 第二阵列电容器，其下极板接收所述第一缓冲射频信号； 第一排L-开关，每个L-开关都连接在所述第二阵列电容器中的输入电容器和所述第一阵列电容器中的输出电容器之间； 第三阵列电容器，其下极板接收所述第一缓冲射频信号； 第四阵列电容器，其下极板接收所述第二缓冲射频信号； 第二排L-开关，所述第二排L-开关中每个L-开关都连接在所述第四阵列电容器中的输入电容器和所述第三阵列电容器中的输出电容器之间； 其中每个L-开关包括: 预充电晶体管，其在所述预充电阶段对所述输入电容器进行充电； 级转换晶体管，其在所述泵送电荷阶段将来自所述输入电容器的电荷转移到所述输出电容器； 其中所述第一控制信号和所述第二控制信号都连接到所述第一排L-开关和所述第二排L-开关，使得所述第一排L-开关运行所述预充电阶段时，所述第二排L-开关就运行所述泵送电荷阶段； 由此，所述第一排和第二排运行相反的阶段。2.根据权利要求1所述的射频-直流转换器，其中所述第一控制信号和所述第二控制信号具有和所述射频信号相同的频率。3.根据权利要求2所述的射频-直流转换器，其中所述第一排L-开关中的第一L-开关有预充电输入，输入到所述预充电晶体管，所述预充电晶体管直接连接到所述第二缓冲射频信号； 其中所述第一排L-开关中非所述第一 L-开关的其它每个L-开关都有预充电输入，输入到所述预充电晶体管，所述预充电晶体管连接到第一排L-开关中前一 L-开关的输出电容器； 其中所述第二排L-开关中的第一 L-开关有预充电输入，输入到所述预充电晶体管，所述预充电晶体管直接连接到所述第一缓冲射频信号； 其中所述第二排L-开关中非所述第一 L-开关的其它每个L-开关都有预充电输入，输入到所述预充电晶体管，所述预充电晶体管连接到第二排L-开关中前一 L-开关的输出电容器。4.根据权利要求3所述的射频-直流转换器，其中对于所述第一排L-开关，所述级转换晶体管是η沟道晶体管，其衬底连接到源极，其中所述级转换晶体管形成在隔离的阱中，所述阱与其它晶体管隔离； 其中对于所述第一排L-开关，所述预充电晶体管是η沟道晶体管，其衬底连接到源极，其中所述预充电晶体管形成在隔离的阱中，所述阱与其它晶体管隔离。5.根据权利要求4所述的射频-直流转换器，其中所述第一控制信号施加于所述第一排L-开关的预充电晶体管的栅极上； 其中所述第二控制信号施加于所述第一排L-开关的级转换晶体管的栅极上。6.根据权利要求5所述的射频-直流转换器，其中对于所述第二排L-开关，所述级转换晶体管是η沟道晶体管，其衬底连接到源极，其中所述级转换晶体管形成在隔离的阱中，所述阱与其它晶体管隔离； 其中对于所述第二排L-开关，所述预充电晶体管是η沟道晶体管，其衬底连接到源极，其中所述预充电晶体管形成在隔离的阱中，所述阱与其它晶体管隔离。7.根据权利要求6所述的射频-直流转换器，其中所述第二控制信号施加于所述第二排L-开关的预充电晶体管的栅极上； 其中所述第一控制信号施加于所述第二排L-开关的级转换晶体管的栅极上； 由此，所述第一控制信号和所述第二控制信号是交叉耦合到所述第二排L-开关的栅极上。8.根据权利要求5所述的射频-直流转换器，其中对于所述第二排L-开关，所述级转换晶体管是P沟道晶体管，其衬底连接到源极，其中所述级转换晶体管形成在隔离的阱中，所述阱与其它晶体管隔离； 其中对于所述第二排L-开关，所述预充电晶体管是P沟道晶体管，其衬底连接到源极，其中所述预充电晶体管形成在隔离的阱中，所述阱与其它晶体管隔离。9.根据权利要求8所述的射频-直流转换器，其中所述第一控制信号施加于所述第二排L-开关的预充电晶体管的栅极上； 其中所述第二控制信号施加于所述第二排L-开关的级转换晶体管的栅极上。10.根据权利要求3所述的射频-直流转换器，其中对于所述第一排L-开关，所述级转换晶体管是η沟道晶体管，其衬底连接到第二衬底控制信号， 其中 所述级转换晶体管形成在隔离的阱中，所述阱与其它晶体管隔离； 其中对于所述第一排L-开关，所述预充电晶体管是η沟道晶体管，其衬底连接到第一衬底控制信号，其中所述预充电晶体管形成在隔离的阱中，所述阱与其它晶体管隔离:其中所述第一控制信号施加于所述第一排L-开关的预充电晶体管的栅极上； 其中所述第二控制信号施加于所述第一排L-开关的级转换晶体管的栅极上； 对于所述第二排L-开关，所述级转换晶体管是η沟道晶体管，其衬底连接到所述第一衬底控制信号，其中所述级转换晶体管形成在隔离的阱中，所述阱与其它晶体管隔离；其中对于所述第二排L-开关，所述预充电晶体管是η沟道晶体管，其衬底连接到所述第二衬底控制信号，其中所述预充电晶体管形成在隔离的阱中，所述阱与其它晶体管隔离: 其中所述第二控制信号施加于所述第二排L-开关的预充电晶体管的栅极上； 其中所述第一控制信号施加于所述第二排L-开关的级转换晶体管的栅极上； 由此，所述第一控制信号和所述第二控制信号是交叉耦合到所述第二排L-开关的栅极上。11.根据权利要求10所述的射频-直流转换器，其中所述缓冲电路产生所述第一衬底控制信号，其和所述第一控制信号具有相同极性，并产生第二衬底控制信号，其和所述第二控制信号具有相同极性；由此，衬底被有效驱动至高和低，与所述栅极具有相同极性。12.根据权利要求3所述的射频-直流转换器，其中所述缓冲电路还包括: 先断后通电路，用于产生所述第一控制信号和所述第二控制信号作为非重叠信号； 第一升压缓冲器，用于驱动所述第一控制信号高至升压值，所述升压值大于电源电压； 第二升压缓冲器，用于驱动所述第二控制信号高至所述升压值，所述升压值大于电源电压。13.根据权利要求3所述的射频-直流转换器，其中所述缓冲电路还包括:第一升压缓冲器，用于产生所述第一控制信号，其具有高于电源电压的高电压； 第二升压缓冲器，用于产生所述第二控制信号，其具有高于电源电压的高电压； 其中所述第一排L-开关中最后级的输出连接到所述第二排L-开关中最后级的输出，以提供所述电源电压。14.一种能量收集电路，包括: 第一多个L-开关，其中所述第一多个L-开关中每个L-开关包括: 第一预充电晶体管，其沟道连接在级输入电容器和级输入节点之间； 第一级转换晶体管，其沟道连接在所述级输入电容器和级输出之间； 第二多个L-开关，其中所述第二多个L-开关中每个L-开关包括: 第二预充电晶体管，其沟道连接在级输入电容器和级输入节点之间； 第二级转换晶体管，其沟道连接在所述级输入电容器和级输出之间； 控制电路，其从天线接收输入，并产生第一缓冲输入和第二缓冲输入，所述控制电路还产生第一控制信号和第二控制信号，它们与来自所述天线的所述输入具有同一周期，其中所述第一控制信号和所述第二控制信号是非重叠的交替信号； 第一阵列电容器，每个都连接到所述第二缓冲输入，所述第一阵列电容器每个也都连接到所述第一多个L-开关中L-开关的第一级转换晶体管的所述级输出，每个也都连接到所述第一预充电晶体管的所述级输入节点，其中所述第一多个L-开关中前一 L-开关的级输出连接到所述第一多个L-开关中下一 L-开关的级输入节点； 第二阵列电容器，每个都连接到所述第一缓冲输入，所述第二阵列电容器每个也都是所述级输入电容器，其连接到所述第一多个L-开关中L-开关的第一级转换晶体管； 第三阵列电容器，每个都连接到所述第一缓冲输入，所述第三阵列电容器每个也都连接到所述第二多个L-开关中L-开关的第二级转换晶体管的所述级输出，每个也都连接到所述第二预充电晶体管的所述级输入节点，其中所述第二多个L-开关中前一 L-开关的级输出连接到所述第二多个L-开关中下一 L-开关的级输入节点； 第四阵列电容器，每个都连接到所述第二缓冲输入，所述第四阵列电容器每个也都是所述级输入电容器，其连接到所述第二多个L-开关中L-开关的第二级转换晶体管；电源线，用于供电给电路，或用于对电池充电；其中所述第一多个L-开关中最后一个L-开关的级输出驱动所述电源线；其中所述第二多个L-开关中最后一个L-开关的级输出也驱动所述电源线。15.根据权利要求14所述的能量收集电路，其中所述第一多个L-开关包括至少三个L-开关； 其中所述第二多个L-开关包括至少三个L-开关； 其中所述第一预充电晶体管是η沟道晶体管，其栅极接收所述第一控制信号； 其中所述第一级转换晶体管是η沟道晶体管，其栅极接收所述第二控制信号。16.根据权利要求15所述的能量收集电路，其中所述第二预充电晶体管是P沟道晶体管，其栅极接收所述第一控制信号: 其中所述第二级转换晶体管是P沟道晶体管，其栅极接收所述第二控制信号； 其中所述第一预充电晶体管有隔离衬底，所述隔离衬底连接到所述级输入节点； 其中所述第一级转换晶体管有隔离衬底，所述隔离衬底连接到所述级输入电容器； 其中所述第二预充电晶体管有隔离衬底，所述隔离衬底连接到所述级输入电容器； 其中所述第二级转换晶体管有隔离衬底，所述隔离衬底连接到所述级输出。17.根据权利要求15所述的能量收集电路，其中所述第二预充电晶体管是η沟道晶体管，其栅极接收所述第二控制信号: 其中所述第二级转换晶体管是η沟道晶体管，其栅极接收所述第一控制信号； 其中所述第一预充电晶体管有隔离衬底，所述隔离衬底连接到所述级输入节点； 其中所述第一级转换晶体管有隔离衬底，所述隔离衬底连接到所述级输入电容器； 其中所述第二预充电晶体管有隔离衬底，所述隔离衬底连接到所述级输入节点； 其中所述第二级转换晶体管有隔离衬底，所述隔离衬底连接到所述级输入电容器。18.根据权利要求15所述的能量收集电路，还包括: 第一激活衬底控制信号，其由所述控制电路产生，和所述第一控制信号同相； 第二激活衬底控制信号，其由所述控制电路产生，和所述第二控制信号同相； 其中所述第一预充电晶体管有隔离衬底，其由所述第一激活衬底控制信号驱动； 其中所述第一级转换晶体管有隔离衬底，其由所述第二激活衬底控制信号驱动； 其中所述第二预充电晶体管有隔离衬底，其由所述第二激活衬底控制信号驱动； 其中所述第二级转换晶体管有隔离衬底，其由所述第一激活衬底控制信号驱动； 由此，衬底被有效驱动至高和低。19.一种射频-直流能量收集器，包括: 天线，用于接收射频射频信号； 缓冲电路，其连接到所述天线，用于产生正缓冲射频信号和负缓冲射频信号，以及第一控制信号和第二控制信号； 第一阵列电容器，其下极板接收所述负缓冲射频信号； 第二阵列电容器，其下极板接收所述正缓冲射频信号； 第一排L-开关，每个L-开关都连接在所述第二阵列电容器中输入电容器和所述第一阵列电容器中输出电容器之间； 第三阵列电容器，其下极板接收所述正缓冲射频信号； 第四阵列电容器，其下极板接收所述负缓冲射频信号； 第二排L-开关，每个L-开关都连接在所述第四阵列电容器中输入电容器和所述第三阵列电容器中输出电容器之间； 其中每个L-开关包括: 预充电晶体管装置，用于对所述输入电容器进行充电； 级转换晶体管装置，用于将电荷从所述输入电容器转移到所述输出电容器； 第一控制阶段装置，其在所述缓冲电路中，用于产生所述第一控制信号和所述第二控制信号，在所述第一排L-开关中，激活所述级转换晶体管装置而导通，且停用所述第一排L-开关的所述预充电晶体管装置而隔离、不导通，同时在所述第二排L-开关中，激活所述预充电晶体管装置而导通，停用所述级转换晶体管装置而隔离、不导通； 第二控制阶段装置，其在所述缓冲电路中，用于产生所述第一控制信号和所述第二控制信号，在所述第一排L-开关中，激活所述预充电晶体管装置而导通，且停用所述第一排L-开关的所述级转换晶体管装置而隔离、不导通，同时在所述第二排L-开关中，激活所述级转换晶体管装置而导通，停用所述预充电晶体管装置而隔离、不导通； 其中所述第一控制信号和所述第二控制信号连接到所述第一排L-开关和所述第二排L-开关。20.根据权利要求19所述的射频-直流能量收集器，还包括: 第一激活衬底控制装置，用于产生第一衬底控制信号，当所述第一控制信号上升时，所述第一衬底控制信号上升，当所述第一控制信号下降时，所述第一衬底控制信号下降； 第二激活衬底控制装置，用于产生第二衬底控制信号，当所述第二控制信号上升时，所述第二衬底控制信号上升，当所述第二控制信号下降时，所述第二衬底控制信号下降； 其中所述预充电晶体管装置包括η沟道晶体管，其衬底不与其它晶体管共享；。 其中所述级转换晶体管装置包括η沟道晶体管，其衬底不与其它晶体管共享； 其中η沟道晶体管在其栅极上接收所述第一控制信号，在其衬底上接收所述第一衬底控制信号； 其中对于每个预充电晶体管装置以及对于每个级转换晶体管装置，当所述栅极被驱动至高时，所述衬底被有效驱动至高，当所述栅极被驱动至低时，所述衬底被有效驱动至底；由此，衬底和栅极都被有效驱动。
【专利摘要】本发明公开了一种RF-DC转换器，其能从接收的无线电波能量对电池进行充电或给电路供电。对于远场应用，接收的RF能量是非常小的，所以转换器必须具有高灵敏度。四个电容器阵列被布置成两排。缓冲RF信号泵送电荷给电容器的下极板。每排中的一系列L-开关连接在该排两个电容器阵列之间。每个L-开关都有一个预充电开关和一个级转换开关，预充电开关对该级的输入电容器进行充电，级转换开关将电荷从该级的输入电容转移到该级的输出电容器。两排开关交替预充电和泵送电荷，左排泵送电荷时右排就预充电。开关是由衬底连接其源极或通过衬底控制信号有效驱动衬底的晶体管来实现。一排可以使用n沟道晶体管，另一排使用p沟道晶体管。栅极电压会被提升。
【IPC分类】H02J17/00, H02J7/00
【公开号】CN104901433
【申请号】CN201510249794
【发明人】邝国权, 黎日东, 郭家雄
【申请人】香港应用科技研究院有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月15日
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